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自主研发:不可思议的“量子梦”渐入现实

2016-01-12 10:37
华静一
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     2015年度的国家自然科学一等奖,颁发给了由潘建伟、彭承志、陈宇翱、陆朝阳、陈增兵组成的中国科学技术大学多光子纠缠及干涉度量研究团队——他们凭借在多光子纠缠及干涉度量上的重要研究和发现,取得了量子通信、量子计算等领域的系统性关键突破。

  对这个在量子科学研究前沿中屹立于世界领先位置的团队来说,他们的获奖实至名归。

  潘建伟如何带领他的团队突破量子信息研究的重重难关?

  不可思议的量子信息科学

  还有什么会比量子力学更为神奇?在这个物理框架内,包含了太多不可思议的现象:从微观世界判定薛定谔的猫是既死又活,到相隔千里的粒子可以瞬间相互影响……量子力学的研究结果往往是颠覆性的,因为它们总与人们的习惯思维背道而驰。

  1935年,爱因斯坦指出,量子纠缠所体现的量子力学非定域性与作为经典物理学基本观念的定域实在论之间存在根本矛盾。定域实在论认为,处于类空间隔的两个事件相互不会产生任何影响,然而量子力学非定域性预言,处于量子纠缠的两个粒子,无论相距多么遥远,对其中一个粒子的测量会瞬间改变另一个粒子的量子状态,爱因斯坦把这一现象称为“遥远地点之间的诡异互动”。

  “所谓的诡异互动就是理论上说的‘纠缠’,好比两人相处两地,各执一枚骰子,当这两枚骰子处于纠缠态时,两人将骰子抛出,最后两边得出的结果将完全一样。”潘建伟用形象的比喻向记者说明量子纠缠的基本原理。

  量子科学会带来哪些神奇的应用?在网络信息安全方面,量子通信克服了经典加密技术内在的安全隐患,是迄今唯一被严格证明是无条件安全的通信方式,可以从根本上解决国防、金融、政务、能源、商业等领域的信息安全问题。

  求解一个亿亿亿变量的线性方程组,利用目前世界上最快的天河二号超级计算机需要100年,而利用计算频率还低一万倍的THz量子计算机,只需0.01秒。量子计算将带来现有计算能力的质的飞跃,为密码分析、气象预报、石油勘探、药物设计等所需的大规模计算难题提供解决方案;并可通过其强大的模拟能力,揭示高温超导、量子霍尔效应等复杂物理机制,为先进材料制造和新能源开发奠定科学基础。

  量子精密测量可实现对重力、时间、位置等的超高灵敏度测量,大幅提升卫星导航、潜艇定位、医学检测、引力波探测等的准确性和精度。比如,一条潜艇,使用目前最好的经典加速度计来自主导航,航行100天后误差达到200公里,就不得不需借助卫星修正位置,但这也意味着暴露行踪的可能;如果利用量子导航仪(原子加速度计)进行测量,航行100天后的位置测量误差小于1公里,潜艇可以不需要借助卫星导航,进行长期潜伏。

  前赴后继的科研工作者们在量子力学逾百年的研究基础上,逐渐掌握了对量子状态进行主动调控的能力,从而开辟出量子信息科技——包括量子通信、量子计算和量子精密测量等,可以突破经典技术的极限,满足信息和物质科学技术的革新诉求。

图①实验室内,陈宇翱向记者介绍基于超冷原子光晶格的量子模拟。图②以潘建伟为核心的量子信息研究团队。图③超导量子芯片

  图④中科大博士生正在量子物理与量子信息实验室中做实验。

  近20年来,量子调控与量子信息领域共产生了10余名诺贝尔物理学奖和沃尔夫物理学奖获得者,量子信息科学已然成为当代物理学最活跃的研究前沿之一。

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